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量子力学和狭义相对论范文1
1物理学的发展过程
1.1 宏观低速阶段
研究宏观低速的理论是牛顿力学,研究对象为宏观低速运动的物体。例如:汽车、火车的运动,地球卫星的发射。在牛顿力学中,牛顿认为:质量、时间、空间都是绝对的。也就是说,对于时间来讲不存在延长和收缩的问题,即时间是在一秒钟,一秒钟地或一个小时,一个小时地均匀流失。对于空间和质量来讲也不存在着变大或变小的问题。牛顿力学的三大定律,就是在这样的基础上建立的。
1.2 宏观高速阶段
研究宏观高速的理论是爱因斯坦的相对论力学,爱因斯坦在1905年发表了论文相对论力学。爱因斯坦认为空间、质量、时间都是相对的。并且找出了动质量和静质量之间的关系:其中m0为静质量;m为动质量。
1.3 微观低速阶段
其理论是薛定谔,海森堡两个创立的量子力学。研究对象为分子、原子、电子、粒子等肉眼所看不见的物质。
1.4 微观高速阶段
理论是量子场论,研究对象为宇宙射线,放射性元素。例如:“镭”。量子场论就是粒子通过相互作用而被产生,湮灭或相互转化的规律。例如:通过对天外射线射向地球宇宙射线的研究发现“反粒子”,即电子的反粒子正电子。负电子与正电子相互作用湮没—— 转化为二个γ光子,例如“闪电”。
2物理学与工程技术的关系
物理学与工程技术有着密切的关系,他们之间是相互促进共同发展的。我们平时常说科学技术,实际上科学和技术是两个不同的概念。科学解决理论问题,而技术解决实际问题。科学是发现自然界当中确实存在的事实,并且建立理论,把这些理论和现象联系起来。科学主要是探索未知,而技术是把科学取得的成果和理论应用于实际当中,从而解决实际问题。所以技术是在理论相对比较成熟的领域里边工作。科学与工程技术相互促进的模式主要有以下两种。
2.1 技术—— 物理—— 技术
例如:蒸汽机的发明和蒸汽机在工业当中的应用形成了第一次工业革命—— 热力学统计物理—— 蒸汽机效率的提高,内燃机,燃气轮机的发明。这一次主要是这样:由于蒸汽机的发明,在当初工业应用上,出现了很多应用技术的问题。例如蒸汽机发明的初期热效率很低,大概不到5％。这样,就对物理提出了很尖锐的问题。那就是热机的效率最高能达到多少？热机的效率有没有上限？上限是多少？再一个就是通过什么样的方式来提高热机的效率？由于这些问题就促进了物理学的发展,正是在这些问题解决的过程当中,逐渐形成和建立了热力学统计物理。而热力学统计物理很好地回答了提高热机效率的途径,以及提高热机效率的限度等等这些理论上的问题。
2.2 物理—— 技术—— 物理
例如:(1)电磁学—— 发电机,电力电器,无线电通信技术—— 电磁学;电磁学从库仑定律的发现,以及法拉第发现电磁感应定律,直到1865年麦克斯韦建立电磁学基本理论,这些都是科学家在实验室里边逐渐形成的,这都是理论建立的过程,而这些理论应用于实际就发明了电动机、发电机等其它电器以及无线电通信技术,而这些实用技术的进一步发展又给电磁学提出来了许多需要解决的实际问题。正是这些问题的逐步解决,使得电磁学更加的完善和在理论上进一步得到了提高。(2)量子力学,半导体物理—— 晶体管超级大规模集成电路技术,电子计算机技术,激光技术—— 量子力学,激光物理;量子力学是20世纪初期为了解决物理上的一些疑难问题而建立起来的一种理论,这种理论应用于解决晶体的问题就形成了半导体技术,而半导体技术的进一步发展就发明了大规模集成电路和超大规模集成电路,而超大规模集成电路的发明是产生电子计算机的主要物质基础,而正是由于电子计算机技术的发展又向量子力学提出了一些其他更加深刻需要解决的问题,而这些问题的解决就促进了量子力学的进一步发展和完善。(3)狭义相对论,质能关系E=mc2,E=mc2—— 原子弹及核能的利用—— 核物理,粒子物理,高能物理;狭义相对论是20世纪初期爱因斯坦建立的一种理论,他是为了解决电磁学等其他物理学科上的一些经典物理当中理论上的一些不协调和不自恰这样一种矛盾而提出的一种理论,这种理论当中有一个很重要的理论结果,那就是质能关系E=mc2,E=mc2。而这种质能关系被我们称为打开核能宝库的钥匙,这一理论结果的应用直接导致了或者指导了核能的应用,而对于核能的进一步应用又提出了许多新的问题,而这些新问题的进一步解决使得理论更加完善而得到进一步提高,从而形成像核物理,粒子物理,以及高能物理等等,那么实际技术上问题的解决又进一步促进了物理学的发展。
3结语
应该说物理和技术有着密切的联系,物理原理及理论的初创式开发和应用都形成了当时的高新技术,物理学仍然是当代高新技术的主要源泉。所有新技术的产生都在物理学中经历了长期酝酿。例如:1909年卢瑟福的粒子散射实验—— 40年后的核能利用;1917年爱因斯坦的受激发射理论—— 1960年第一台激光器的诞生等,整个信息技术的产生、发展,其硬件部分都是以物理学为基础的。
参考文献
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量子力学和狭义相对论范文2
[关键词]普通物理 现代化 内容体系 方法手段
众所周知，物理学分为经典物理和近代物理。五十年代以前，普通物理只讲经典物理，五十年代以来情况发生了很大变化，各国的普通物理中纷纷增添了近代物理的内容，如天体物理，生物物理和技术等。这是科学高速发展和知识更新的必然结果。因此，普通物理课程要与时代接轨就不得不进行改革。本文从“如何进行改革”、“面临的困难”以及“取得的成效”这三个方面来探讨普通物理课程改革问题。
一、普通物理课程现代化的重要性
普通物理学是大学学习前一个阶段的主要知识之一，同时也是其他学科或为本学科后续课程服务的基础。因此，既要重视物理学本身内在的逻辑性和整体的系统性，也要重视与其他学科技术衔接的协调性以及现代科技和物理前沿发展的协同性。毋庸置疑，普通物理学与现代科学技术以及物理学前沿接口的问题，长期以来一直没有解决好。这已经成为普通物理学教育发展的障碍，从这个意义上讲，普通物理学的现代化问题已是迫在眉睫。
二、普通物理课程现代化所涉及的内容
1.教学内容的现代化。近几年的分析表明，对课程现代化的改革概括起来主要有以下两个方面：①运用现代的观点，横向拓宽和纵向延伸经典物理的内容，也就是用现代的观点对经典物理概念和规律进行审视，或修正或补充，或重新评价或引深发挥，挖掘新意。例如，在讲解力的概念时，介绍四种基本的自然力；在讲解守恒定律时，插入对称性理论；在讲授热学时，补充信息熵，耗散结构的内容；在讲授狭义相对论时加进广义相对论等。②另辟蹊径，介绍现代物理科学的新发展。教学某些章节之后，可配置一些阅读参考材料；或开设第二课堂，组织专题讲座或报告会，介绍科技前沿的热点题目；或开设选修课，讲解近代物理内容；还可以通过习题和例题渗进现代科技新成就等。上述举措不但有利于课程内容的现代化建设，开阔学生视野，激发学生的热情，也有利于教师自身素质的提高。
2.教学体系的现代化。教学体系的现代化应从有利于培养学生的科学素质角度出发。科学技术的研究对象和领域正向深度和广度发展，科学技术的研究方法也由分析方法向系统方法转移。长期使用分析方法，容易产生孤立的静止的看待事物和思考问题的习惯性与局限性。系统方法是把科学研究对象当做一个系统来处理，即把研究对象看成是若干相关联的部分所组成的有机整体，分析各部分在整体中的层次方向。如在教学中将光学与振动和波动一起讲，狭义相对论在力学后面讲，改变以往将物理内容分为力学、热学、电磁学、光学、近代物理几部分的模式，在组织好传统教学内容的基础上，大胆地将物理学新成果、新技术、新思想、新方法有机地结合到经典课程内容里。如热学部分加强熵的内容，介绍在信息科学及其他学科中的应用；磁学部分介绍磁镜原理、磁流体发电等；光学部分介绍光全息等。要把经典部分和现代部分、现代物理内容与经典物理内容有机地融为一体，教师需要不断地深入研究与探索。
3.教学方法手段的现代化。要进行教学内容体系的改革，目前的学时就显得紧张。因此，教学方法和教学手段的现代化是至关重要的。教学方法的现代化应以现代教育理论为基础，处理好教师和学生的关系，重在加强学生能力和素质的培养。教学手段的现代化要求充分运用教学媒体和其他工具以增强教学效果，如幻灯、投影、录像、CAI等。运用现代化教学手段能使物理课既深入又生动，而且信息量大，有力地保证了教学改革的顺利进行。
三、普通物理课程现代化改革所面临的困难
普通物理课程的现代化面临二个矛盾：一是课程现代化与学时的矛盾；二是如何进行现代化。
先谈课程现代化与学时的矛盾。就程守诛、江之永先生合编的普通物理教材来说，从1961年第一版到1979年第二版，一直到1982年的修订本，很明显，是在不断地对原来的经典内容进行改革，并充实了近代物理的内容。如狭义相对论、量子力学、激光技术等。教材内容不断增加，而学时不可能增加，甚至可能减少（因为新的学科，如计算机应用课程的开设）。这就是课程现代化与学时的矛盾。再谈如何进行现代化的问题。现在的普通物理一般分为经典物理和近代物理两部分，近代物理的理论基础是相对论和量子力学。众所周知，相对论和量子力学不仅包含大量的数学知识，而且还非常抽象。怎样避开高深、枯燥的数学，用形象化的图画来表示抽象的东西，这就要求教师要用普通物理的风格来讲相对论和量子力学。在普通物理课程中，对当前物理学中最前沿的热点作适当的介绍固然是课程现代化的一个方案，但如何用普通物理的风格对前沿物理学热点作适当的介绍仍是摆在教师及教育工作者面前的一个难题。
总之，普通物理现代化是一项重要而艰难的任务。通过几年的实践，普通物理现代化取得了成果，但也存在矛盾。这说明普通物理现代化是一项长期而细致的工作，绝不能一蹴而就。需要广大教育工作者不断积累经验，互相交流，去弊存利，把普通物理课程现代化改革逐步推向前进。
参考文献：
[1]赵凯华.普通物理现代化问题[J].大学物理,1992,11,(9):6.
量子力学和狭义相对论范文3
人类以新的视野观察和认识世界
相对论是研究时间、空间、运动这三者关系的理论体系的总称，它是这100多年来人类最伟大的两个理论之一（另一个伟大理论是量子力学）。相对论的伟大是不足以用诺贝尔物理学奖来评价的。如果真有一个上帝的话，上帝过去总是说：“人类一思考，上帝就发笑。”相对论诞生之后，上帝改口了：“人类一思考，上帝就发慌。”
相对论是关于时空和引力的基本理论，依据研究的对象不同，分为狭义相对论和广义相对论。相对论从逻辑思想上统一了经典物理学，使经典物理学成为一个完美的科学体系。狭义相对论在狭义相对性原理的基础上统一了牛顿力学和麦克斯韦动力学两个体系，指出它们都服从狭义相对性原理，都是对洛伦兹变换协变的，牛顿力学只不过是物体在低速运动下很好的近似规律。广义相对论又在广义协变的基础上，通过等效原理，建立了局域惯性场与普遍参照系数的问题，从逻辑上得到了合理的安排。相对论严格考察了时间、空间、物质和运动这些物理学的基本概念，给出了科学而系统的时空观和物质观，从而使物理学在逻辑上成为完美的科学体系。
狭义相对论给出了物体在高速运动下的运动规律，并提示了质量与能量相当，著名的质能关系式，即E=MC2，可以用来计算核反应过程中所释放的能量，并导致了原子弹的诞生。广义相对论建立了完善的引力理论，而引力理论主要涉及的是天体。至今，相对论宇宙学进一步发展，而引力波物理、致密天体物理和黑洞物理这些属于相对论天体物理学的分支学科都有一定的进展，吸引了许多科学家为之奋斗。
相对论极大地改变了人类对宇宙和自然的“常识性”观念，提出了“同时的相对性”“四维时空”“弯曲时空”等全新的概念。它发展了牛顿力学，推动物理学发展到一个新的高度。一位法国物理学家曾经这样评价爱因斯坦：“在我们这一时代的物理学家中，爱因斯坦将位于最前列。他现在是、将来也还是人类宇宙中最光辉的巨星之一”，“按照我的看法，他也许比牛顿更伟大，因为他对于科学的贡献，将更加深入地进入人类思想基本要领的结构中。”
对称性原理对物理学研究有着十分重要的指导意义，爱因斯坦最善于应用这一原理，整个相对论都是在此基础上建立起来的。特别是在建立广义相对论的过程中，爱因斯坦还对原理做了创造性发展。过去是实验方程对称性，但爱因斯坦认为“这个链很有趣，如果从洛伦兹对称性以外的对称性出发，推导出方程，再利用它进行实验，不是更好吗”？爱因斯坦成功地实现了这个关系的倒置。他所说的这种新的对称性就是引力场方程在非欧几里德空间的协变。
相对论的建立也把化学和生物学推向了新的高峰。19世纪末，化学领域取得了巨大的成就，但也遇到了巨大的困难。其主要原因是“原子不可分，元素不能变”的观念根深蒂固。20世纪物理学的这场革命，从根本上改变了化学的基本概念，并使之获得了很多新的研究方法。由物理学家开创的化学键理论，X射线衍射法的运用，推动了结构化学的发展。20世纪后的化学，主要通过研究电子在分子和原子中的分布和运动，由此更深刻地揭示物质的性质和化学变化的规律。
分子生物学创立于20世纪50年代，物理学对其形成和发展产生了举足轻重的作用。X射线衍射方法的运用使生物大分子晶体结构分析成为可能。特别是薛定谔于1944年出版的《生命是什么》一书“从思想上唤起生物学革命”。该书在运用统计物理的概念分析生命现象后指出，生命物质的运动必然服从已知的物理学定律。这启发了人们用物理学的思想和方法探讨生命物质运动的规律。
科技和社会产生了诸多变革
100年前，爱因斯坦发表了具有划时代意义的5篇物理学论文，奠定了相对论的基础，并为量子理论的发展做出了重要贡献。原子能、晶体管、计算机、激光、纳米材料、宇宙飞船、生命科学等20世纪重大的发明，都是由爱因斯坦开创的近代物理学的结晶。
相对论和量子力学的建立使人类进入到信息时代。固体物理已有几个世纪的历史，直到20世纪初，由于X射线衍射的发现以及金属的自由电子论和能带理论的提出才使其成熟了。20世纪30年代后，量子力学使它成为一门研究固体多种物理性质、微观结构及其内部运动规律的学科。近年来，固体物理的研究对象由晶体扩展到非晶体和物体的表面，故更名为凝聚态物理学。半导体材料、磁性材料、纳米材料等是它研究的主要对象，这为计算机的诞生和发展奠定了科学和技术基础。 电路板
信息革命始于20世纪40年代，以计算机问世为标志，目前方兴未艾。从1904年发明二极管起，到1946年世界上第一台电子管计算机研制成功为止，是信息技术史上的“电子管时期”。1947年随着半导体晶体管的问世，信息技术史进入了“晶体管时期”。此后，集成电路的发明打破了电路与元件分离的传统观念，使电子设备微型化。经过大规模集成电路阶段后，超大规模集成电路又在迅猛发展。而计算机就是由这些物理元件组成的信息处理器。以激光器发明为标志的光电子技术，使信息技术上了一个新台阶。因为采用光子作为信息载体，其响应速度比电子快3个数量级，也不存在电磁串扰等。待到光子集成电路问世后，计算机的发展将更迅速，应用前景将更广阔。前两次工业革命延伸的是人的肢体功能，这次革命拓展的是人的大脑功能。因此，信息革命是更深刻的革命。海湾战争、科索沃战争和伊拉克战争就是最有力的证明。
20世纪初爱因斯坦相对论开启的科技革命和20世纪六七十年代开始的高科技时代，对人类思想文化的影响更是震撼性的。以网络信息技术为例，我们由此可窥一斑而知全豹。由于数字技术的应用，人类从观念到生活方式都发生了天翻地覆的变化。可以说，计算机、信息网络技术影响到了当今思想文化的每个角落。姑且不说数字技术改变了几百年来铅与火的印刷，上千年笔与纸的书写，现在文化的交流、知识信息的传播，甚至到了动一下指头，点击上网即可实现的地步。这与以前关山隔阻，需飞越千山万水，克服重重困难才能达到目的的情况相比，简直有天壤之别。
相对论与我们的生活息息相关
尽管大多数人至今还不知道相对论究竟是怎么回事，但事实上，它早就深刻地影响到整个人类社会，直接或间接地影响了我们每一个人的生活。1919年，爱因斯坦在与儿子埃德瓦的谈话中说：“当一只甲虫在一根弯曲的树枝上爬行的时候，它并没有觉察到这根树枝是弯曲的，我有幸觉察到了甲虫没有觉察到的东西。”爱因斯坦的这一觉察，在其后近100年中改变了整个世界，并且，这种改变现在还在继续。
GPS导航系统现在已经是一个满大街都可以看到的常用小电器了，可能每个司机都有一个车载的导航系统，或者手机里装有一个导航软件。如果没有相对论，那么导航系统就会出大问题。爱因斯坦指出：“传统的时间概念只能在简单的条件下才能确定，当多种因素暂时联系起来的时候，传统的计时方法就会失去作用。”因为根据相对论，卫星上的时钟会比地面上的时钟走得快，每天大约快38微秒（0.000038秒），如果不校正的话，GPS导航系统每天积累的误差将超过10千米（这个误差是垂直方向上的，不是水平方向上的），如果美军用这个来导航导弹的话，那麻烦就大了。因此，在GPS卫星发射前，要先把其时钟的走动频率调慢100亿分之4.465，把10.23兆赫调为10.22999999543兆赫，这些数字全靠有了相对论才能那么精确地计算出来。
量子力学和狭义相对论范文4
结果有些出入意料，希格斯老爷爷遗憾落选，奖项授予美国的大卫·维兰德（David J.Wineland）和法国的塞尔日·阿罗什（Serge Haroche）。这两名实验物理学家在过去20多年的研究中开创了测量与操纵单个量子系统的实验方法。阿罗什的实验方法是用原子测量单个光子，而维兰德的实验是用激光控制单个离子。他们都反复进行了一系列实验，并发表了大量论文。
科学背景
高中物理讲过，原子中间是一个极小的原子核，是电子，不过原子层次的物理现象没法用牛顿的经典力学解释，为了说清楚原子的事儿，物理学家们创立了量子理论。这个理论认为物质粒子也具有波的性质；粒子也不像皮球那样缺乏个性地沿着确定的路径运动，而是可以同时处于多种状态，循着无穷多的任意路径达到最终状态。物理过程必须考虑所有可能路径的总汇。
量子理论虽然如天书，却是微观世界真实的客观规律。它不但用于原子能级、光谱、半导体、超导等现象，也被用于化学、生物等领域，还用来计算分子结构以及解释生物化学过程。没有量子理论，孰不会有晶体管、集成电路、激光，也就不会有计算机与计算机通讯。可以说，量子的宏观应用已经使人类从电气时代进入了微电子时代。
晕死人的量子世界
维兰德来自于美国加州，中学时并不是最优秀学生，在高中最后一年才对物理产生了兴趣。大学原本读的数学专业，后来才改学物理，拿到物理博士学位后在美国国家标准技术研究所当研究员。他在那里干了37年，主要研究用离子束缚（iontrap）探索量子世界。
维兰德与阿罗什的研究是直接操控并测试单个粒子的量子系统。对于维兰德的实验，他的方法是用电场把单个离子（如汞离子）限制在一个势阱（可以把它想象成一个无形牢笼）内，就像用磁场把磁悬浮列车悬在空中一样。这个离子在势阱里只能来回运动，无法逃逸出去。
被束缚在势阱里的离子整体只能来回振动（你可以理解为折返跑），而离子内部的电子也有不同的能级。这个振动的能量是量子化的，也就是一级一个台阶，只能在不同的能级之间跳跃。离子内部的能量也是量子化的，也是一级一个台阶。
维兰德的秘诀是调节激光的频率，迫使离子内部能级跳上一个台阶的同时让它的振动能级跳下一阶，这样离子就会从内部高能级回落到低能级，不断重复下去达到降低振动能级的效果，使离子处于运动能量最低的状态。离子从高能级向低能级跃迁的时候释放的能量转换为一个光子，而光子的频率正比于它的能量。在固体与气体中，原子能级跃迁时的发光受到其他原子以及自身运动的影响，导致频率的扰动。而单个孤立的离子则不受这些因素的干扰，因而可以实现很高的频率精度。在另一个实验中，通过不同的激光对离子照射，使它同时处于两个量子状态——这就是量子力学里“薛定谔的猫”，而且进行了相应的测量。在更为复杂的实验中，三个离子形成量子缠绕状态，构成三个可以用于量子计算的量子位元（qubit）……过去对量子力学的检验大多是基于统计结果，而通过对单个离子的精准控制，维兰德等人的各种实验与测量直接从微观层次验证了量子力学。
阿罗什与维兰德殊途同归。他的实验是通过两面镜子来回反射把光子关进一个空腔，通过测量这些光子对高能级原子的影响得出光子的量子信息。
应用与展望
量子力学和狭义相对论范文5
关键词：实验探究；边缘科学知识 ；综合科学知识；实际应用科学知识
江西省2008年实行人教版高中物理新课程至今，教材有较大突破，体现为以下几点：
一、教材将以前的三本书分成七本书，其中必修为两本，是所有学生必学的内容。选修有五本，是侧重理科学生学习的。而且选修的五本就不同省份高考的考生来说，只须选学其中四本。这样学生的负担大大降低了。
二、教材内容梯度好，栏目丰富。
例如选修3-4第十一章机械振动共分五节，第一节主要通过水平弹簧振子、沙漏的摆动、竖直弹簧振子的实验探究得出简谐运动的位移随时间变化的关系，从而定义简谐振动。书中的两个两“做一做”又从其他角度实验探究验证简谐振动的位移随时间变化的图象，该节提供了七个实验探究简谐振动的位移随时间变化的图象，让学生思维更开阔，对简谐振动定义获得过程留下很深的络印，和较大的兴趣。
三、教材新增实际应用的理论探究，对学生理解新问题有更深的指导，有利于提高学生的综合素质。
例如选修3-4第十二章机械波新增了“多普勒效应”和“惠更斯原理”两节。通过学习“多普勒效应”，学生就能理解如何测车速来监控车的违章情况；如何算出星球靠靠近或远离我们的速度；彩超的原理等，还可激发学生对科学的兴趣。通过学习“惠更斯原理”，学生增强了对波的反射、折射、衍射现象的逻辑理解，对学生利用逻辑思维理解和分析问题有较大的提高。
四、教材新增了对边缘科学的学习
例如选修3-2第十章“传感器”和选修3-4第十五章“相对论简介”，让学生知道狭义相对论和广义相对论的基本逻辑理解，对科学的探究有更广的猜想。而传感器是实际应用较普遍的，介绍了光敏电阻、热敏电阻、温控开关等文件在电器中的工作原理，还有一些常见电路的分析，使学生对电子技术在现代化产品的开发与应用有了解，加强了学生对科学学习的重要性认识和兴趣。
五、增设实验，培养探索式学习
选修3-5第十六章第一节 实验：探究碰撞中的变量
从生产、生活中的现象（包括实验现象）中提出研究的问题——碰撞前后会不会有什么物理量保持不变呢？接着提出了猜想。为了证实猜想而提出了“实验的基本思路”和实验中“需要考虑的问题”。同时，提供三套实验方案供学校选择，最后让学生亲自动手，经历并体验寻找碰撞中“不变量”的过程。重点是引导学生经历碰撞问题的研究过程。
一方面为下两节“动量和动量定理”“动量守恒定律”的引入提高实验的基础；另一方面，让学生亲自经历探究自然规律的过程，感悟自然界的和谐与统一；同时，将实验技能的训练与科学探究过程的体验，有机地结合。教科书设计这一节实验课，重在培养探究式学习的目的。
六、增设与其它学科相关知识，提高学习认识综合知识的联系。牢固树立人类对世界探求是不断深入的思想。
例如：3-5第十七章 波粒二象性 第5节“不确定性关系”，本节内容是在上一节基础上进一步深化的。学生已经知道单个微观粒子的运动具有不确定性，但它在空间某点出现的概率却可通过波动规律确定。本节通过光的单缝衍射实验，具体分析了这种不确定性的数量关系，给出了量子力学中一个著名的教学关系式——不确定性关系：。通过介绍经典物理学和围观物理学中物理模型与物理现象的巨大差异，量子力学对社会进步的重要性及对量子理论的论争，为学生用新的观点来认识微观物理世界提供了有效的空间，也为学生今后学习量子力学搭建过渡之桥。虽然我们不可能知道单个粒子运动情况，但是大量粒子的运动却是有规律的。这种随机现象遵从统计规律，要从波的理论推测它的哪个地方的几率有多大。反复强化这个概念，不确定性关系的模型才能逐渐在学生心中建立。通过物理模型与物理现象的教学，让学生明确，模型是人类认识自然的一种方式，模型是对自然的一种抽象、纯化，但模型本身并不是自然本身。
教材简要介绍了量子力学对人类社会的重要贡献，让学生明确已学的能量子、光子、波粒二象性、不确定关系是量子力学的基础，尽管以量子理论为基础建立起来的现代技术已取得巨大成功。但是，对于“量子”的图景和哲学意义，却一直存在严重的分歧和激烈的争论。让学生树立科学是不断发展的思想，将争议回归到爱因斯坦那句话：整整50年有意识的思考，并没有使我更接近“光量子是什么”这个问题的答案。现在的理论并不是对微观粒子运动规律的终极观念，这种为了满足我们“肉眼凡胎”而创立的模型，虽然比较完美地解释了现在所观测到的一切，但随着认识的深入，我们现在认为的单个微粒运动的随机规律也可能是不完备的模型，我们也可能会了解它的真实图景，科学研究没有终点站。
量子力学和狭义相对论范文6
摘?要：基本物理常数是物理学中的一些普适常数。这些常数与自然科学的各个分支有着密切的联系，物理学中许多划时论的创立和新研究领域的开辟，往往与某个基本物理常数的发现或准确测定密切相关。
关键词：物理常数；光速；普朗克常数
基本物理常数是物理学中的一些普适常数。这些常数与自然科学的各个分支有着密切的关系，在科学理论的提出和科学试验的发展中起着很重要的作用。
物理学中许多新领域的开辟以及重大物理理论的创立，往往与相关基本物理常数的发现或准确测定密切相关。基本物理常数的测定及其精度的不断提高，生动地反映了实验技术和测量方法的发展与更新，现在，许多基本物理常数的精度已达10-6量级，有的甚至达到10-8~10-10量级。本文仅以光速C和普朗克常数h为例来说明。
光速是光波的传播速度，原与声波、水波等的传播速度类似，并不具有任何“特殊的”的地位。但细分析起来，光速也似乎确有一些特殊之处。其一是光速的数值非常大，远非其他各种波动速度所能比拟；其二是光波可以在真空中传播，而其他波动则离开了相应的弹性介质便不复存在，由此引来了关于以太（假想的弹性介质）的种种争论。
1865年麦克斯韦建立了电磁场方程组，证明了电磁波的存在，并推导出了电磁波的速度C等于电流的电磁单位与静电单位之比。1849年斐索用实验测出光在空气中的传播速度为C =3.14858×108米/秒。分属光学和电磁学的不相及的两个传播速度C电磁波与C光波之间出乎意料的惊人相符，使麦克斯韦立即意识到光波就是电磁波。于是，以C为桥梁把以前认为彼此无关的光学与电磁学统一了起来。同时，由于电磁波传播依赖的是电磁场的内在联系，无需任何弹性介质，使得“以太”的存在和不存在没有什么差别，不需要强加在它身上种种性质。至此，光速C的地位陡然升高。
麦克斯韦电磁场理论揭示了电磁场运动变化的规律，统一了光学与电磁学，开创了物理学的新时代。但同时它也提出了新的更深刻的问题：麦克斯韦方程组只适用于某个特殊的惯性系还是适用于一切惯性系。如果麦克斯韦方程组只适用于某个特殊的惯性系，则不仅违背相对性原理，且该惯性系就是牛顿的绝对空间，地球相对它运动将受到以太风的吹拂，然而试图探测其影响的Michelson-Mor1ey实验却得出了否定的结果。如果麦克斯韦方程组适用于一切惯性系，则根据伽利略变换得出的经典速度合成规律，在不同惯性系中的光速应不同，甚至会出现违背因果关系的超光速现象，也难以解释。总之，对于麦克斯韦电磁场理论，伽利略变换和相对性原理之间存在着不可调和的深刻矛盾。直至1905年Einstein以相对性原理和光速不变原理为前提，并借助洛伦兹变换方程建立起狭义相对论之后，这一切矛盾和困惑才最终得以解决。
由此可见，真空中的光速C从光波的速度上升为一切电磁波的传播速度之后，又进一步成为一切实际物体和信号速度的上限，并且在任何惯性系中C的取值都相同。C作为基本物理常数，提供了不可逾越的速度界限，从根本上否定了一切超距作用，成为相对论和新时空观的鲜明标志。
1900年普朗克为解释黑体辐射，提出谐振子能量不连续的大胆假设。1905年Einstein为解释光电效应，把能量子假设推广到电磁波，提出“光量子”。1924年德布罗意通过粒子与波的对比，假设微观粒子也具有波动性，也就是波粒二象性，设其动量为p，则其德布洛依波长由下式绝定：pλ=h，这里h是一常量，叫普朗克常数，h几乎处处出现，它宣告物理学新的研究领域――量子物理学诞生了。
量子物理学的进展表明，普朗克常数h是量子物理学的重要常数， h不仅必然成为微观粒子运动特征的定量标准，而且成为划分量子物理与经典物理的定量界限（正如C是划分相对论与非相对论的定量界限一样）。如果物理体系具有作用量纲的物理量与h可相比拟，则该体系的行为必须在量子力学的框架内描述；反之，如果物理体系具有作用量纲的物理量远大于h，则经典物理学的规律就在足够的精确度对该体系有效。普朗克常数h的深刻含义和重要地位，使之得以跻身基本物理常数之列。
普朗克常数h的一个意外而有趣的含义在于，它是一个直接关系到宇宙存在形式的基本常数。宇宙中广泛存在着有形的物质与辐射，其间的能量交换（如物体发光或吸收光）遵从一条物理原理，即能量按自由度均分。如果不存在普朗克常数，即若h=0，则表明辐射与有形物质之间的能量交换可任意进行。由于辐射的自由度与频率的平方成正比，随着频率增高，辐射自由度在数量上是没有上限的。因此，辐射通过与有形物质的能量交换，将不断地从有形物质中吸取能量，最终导致有形物质的毁灭。于是，整个宇宙只剩下辐射，没有原子、分子，没有气体、液体、固体等，生命与人类当然无从谈及。幸而普朗克常数h不为零，辐射的能量是不连续的，存在着ε=hv的能量台阶，波长越短频率越高的辐射其能量台阶越高，在与有形物质的能量交换中越不起作用，相应的辐射自由度冻结，从而使有形物质与幅射的能量交换受到限制，两者才能达到平衡，我们这个宇宙才能以当今丰富多采的形式存在下去。
下面介绍一下近代精确测量C和h的方法。
测量真空中光速的精确方法是，直接测量激光的频率ν和真空波长λ，由两者乘积得出真空光C。1972年，通过测量甲烷谱线的频率与真空波长，得出真空中光速为c＝299792458±1.2米/秒。1983年第17届国际计量大会规定新的米定义为：“米是1/299792458秒的时间间隔内光在真空中行程的长度。”由于光速是定义，不确定度为零，从此不再需要任何测量，结束了300多年精密测量C的历史。
h首先由普朗克给出，他利用黑体辐射位移定律中的Wien常数b与k（Boltzmann常数）、C、h的关系，由b、k、C算出h，用实验方法测定h则始于Millikan，他利用光电效应的实验得出h，近代精确测定h的方法是利用Josephson效应，这是超导体的一种量子效应。
1900年，Thomson在总结以往几百年的物理学时指出：“在已经基本建成的科学大厦中，后辈物理学家似乎只要做一些零碎的修补工作就行了；但是，在物理学晴朗天空的远处，还有两朵令人不安的乌云。”这两朵乌云就是当时无法解释的黑体辐射和Michel-son―MOrley实验，正是它们引起了物理学的深刻变革，导致量子力学和相对论的诞生，与此同时出现了两个基本物理常数h和C。
参考文献：
[1] [美]威切曼著，复旦大学物理系译，《量子物理学》，科学出版社，1978年
